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CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
EVALUACIÓN MEDIANTE ENSAYO NO DESTRUCTIVO RADIOGRÁFICO APLICADO A LA REPARACIÓN EN MOLDES DE ACERO GRADO
HERRAMIENTA H13 MEDIANTE EL PROCESO GTAW
POR
ING. EDGAR PINELO ZÚÑIGA
MONOGRAFÍA
EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍA DE LA SOLDADURA INDUSTRIAL
SALTILLO COAHUILA, 21 DE DICIEMBRE DE 2017
2
CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
EVALUACIÓN MEDIANTE ENSAYO NO DESTRUCTIVO RADIOGRÁFICO APLICADO A LA REPARACIÓN EN MOLDES DE ACERO GRADO
HERRAMIENTA H13 MEDIANTE EL PROCESO GTAW
POR
ING. EDGAR PINELO ZÚÑIGA
MONOGRAFÍA
EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍA DE LA SOLDADURA INDUSTRIAL
SALTILLO COAHUILA, 21 DE DICIEMBRE DE 2017
3
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales Gerencia de Desarrollo Humano
División de Estudios de Posgrado
Los miembros del Comité Tutorial recomendamos que la monografía
“EVALUACIÓN MEDIANTE ENSAYO NO DESTRUCTIVO RADIOGRÁFICO
APLICADO A LA REPARACIÓN EN MOLDES DE ACERO GRADO
HERRAMIENTA H13 MEDIANTE EL PROCESO GTAW”, realizada por el
alumno EDGAR PINELO ZÚÑIGA, con número de matrícula 17ES-227 sea
aceptada para su defensa como Especialista en Tecnología de la Soldadura
Industrial.
El Comité Tutorial
Dra. Gladys Yerenia Pérez
Medina Tutor Académico
MTSI Leonardo Adrián Carrasco González
Asesor
Dra. Argelia Fabiola Miranda Pérez
Asesora
Vo.Bo.
Dr. Pedro Pérez Villanueva Coordinador de Posgrado
4
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales Gerencia de Desarrollo Humano
División de Estudios de Posgrado Los abajo firmantes, miembros del Jurado del Examen de especialización
del alumno EDGAR PINELO ZÚÑIGA, una vez leída y revisada la monografía
llamada “EVALUACIÓN MEDIANTE ENSAYO NO DESTRUCTIVO
RADIOGRÁFICO APLICADO A LA REPARACIÓN EN MOLDES DE ACERO
GRADO HERRAMIENTA H13 MEDIANTE EL PROCESO GTAW”, aceptamos
que la monografía revisada y corregida, sea presentada por el alumno para
aspirar al grado de Especialista en Tecnología de la Soldadura Industrial durante
la defensa de la monografía correspondiente.
Y para que así conste firmamos la presente a los 21 de Diciembre de 2017.
Dr. Carlos Rodrigo Muñiz Valdez
Presidente
Dra. Alejandra Hernández Rodríguez Secretario
Dra. Gladys Yerania Pérez Medina Vocal
5
AGRADECIMIENTOS
Agradezco al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por el apoyo brindado para
la realización de mis estudios de posgrado, de igual manera a la Corporación Mexicana de
Investigación en Materiales (COMIMSA) por haberme brindado la oportunidad de cursar la
especialización en tecnología de la soldadura industrial para así abrirme paso, tanto en el ámbito
profesional como laboral.
Agradezco a mi tutora académica, Dra. Gladys Yerenia Pérez Medina por su apoyo y
recomendaciones que me sirvieron para la realización de la monografía, por las facilidades
brindadas hasta la terminación de mis estudios de especialización.
Agradezco a los doctores y maestros que formaron parte de mi formación y que transmitieron su
conocimiento para mi crecimiento profesional, por sus enseñanzas y recomendaciones brindadas
durante mi estancia en la corporación.
6
DEDICATORIA
A mis padres, María Elena Zúñiga García y Gerardo Francisco Pinelo Márquez, por la confianza
depositada y por creer en mi en el momento que decidí cursar un programa de posgrado, por los
sacrificios que han hecho para que pueda crecer profesionalmente y cumplir mis objetivos. A
ustedes y más que a ustedes, ya que, sin su apoyo, no me encontraría en donde estoy y porque
siempre estaré en deuda eterna por lo brindado.
A mi núcleo familiar que siempre ha estado ahí apoyándome a la distancia, que no me dejan
solo y por los sabios consejos que me han servido en mi diario vivir.
7
ÍNDICE
SÍNTESIS ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 1
CAPÍTULO 1 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1
INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES ------------------------------------------------------------------------------------------- 2
1.1 ANTECEDENTES ------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 1.2 OBJETIVOS --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4
1.2.1 Objetivo general ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 1.2.2 Objetivos específicos ----------------------------------------------------------------------------------------------- 4
1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA --------------------------------------------------------------------------------------------- 4 1.4 JUSTIFICACIÓN ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6 1.6 APORTACIÓN INDUSTRIAL ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 7 1.7 ALCANCE Y DELIMITACIONES -------------------------------------------------------------------------------------------------- 7
CAPÍTULO 2 ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8
MARCO TEÓRICO ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 8
2.1 SOLDADURA GTAW ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 2.2 VENTAJAS Y LIMITACIONES DEL PROCESO GTAW---------------------------------------------------------------------------- 9 ENTRE LAS LIMITACIONES SE ENCUENTRAN LAS SIGUIENTES: ------------------------------------------------------------------- 10 2.3 TIPOS DE CORRIENTE USADAS ----------------------------------------------------------------------------------------------- 10
2.3.1 Corriente directa -------------------------------------------------------------------------------------------------- 11 2.3.2 Soldadura con corriente continua a pulsos ----------------------------------------------------------------- 12
2.4 CLASIFICACIÓN DE LOS TIPOS DE ELECTRODO DE TUNGSTENO ------------------------------------------------------------- 14 2.4.1 Clasificación de electrodos EWP ------------------------------------------------------------------------------ 14 2.4.2 Electrodos EWTh. ------------------------------------------------------------------------------------------------- 15 2.4.3 Electrodos EWCe. ------------------------------------------------------------------------------------------------- 15 2.4.4 Electrodos EWLa. ------------------------------------------------------------------------------------------------- 15 2.4.5 Electrodos EWZr. -------------------------------------------------------------------------------------------------- 15 2.4.6 Electrodos EWG --------------------------------------------------------------------------------------------------- 16
2.5 GASES DE PROTECCIÓN ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 16 2.6 CONSIDERACIONES DE CALIDAD EN EL PROCESO GTAW ------------------------------------------------------------------ 18 2.6.1 DISCONTINUIDADES EN SOLDADURAS DE ARCO ------------------------------------------------------------------------- 18 2.7 ACEROS GRADO HERRAMIENTA --------------------------------------------------------------------------------------------- 25
2.7.1 Clasificación de los aceros grado herramienta ------------------------------------------------------------ 25 2.7.2 Aceros grado herramienta H13 ------------------------------------------------------------------------------- 29 2.7.3 Soldabilidad de los aceros grado herramienta ------------------------------------------------------------ 31 2.7.4 Reparación de moldes por soldadura ------------------------------------------------------------------------ 32
2.8 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS ------------------------------------------------------------------------------------------------ 33 2.9 ENSAYO RADIOGRÁFICO (RT) ---------------------------------------------------------------------------------------------- 34
2.9.1 Ventajas del ensayo radiográfico ----------------------------------------------------------------------------- 37 2.9.2 Desventajas del ensayo radiográfico ------------------------------------------------------------------------ 38 2.9.3 Limitaciones del ensayo radiográfico ------------------------------------------------------------------------ 38
2.10 AWS B2.1 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 39 2.10.1 Alcance ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 39 2.10.2 Procedimiento de examen radiográfico ------------------------------------------------------------------- 40 2.10.3 Criterios de aceptación ---------------------------------------------------------------------------------------- 41
CAPÍTULO 3 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 43
ESTADO DEL ARTE --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 43
8
CAPÍTULO 4 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 53
CASO DE ESTUDIO --------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 53
CAPÍTULO 5 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 59
RESULTADOS Y ANÁLISIS ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 59
CAPÍTULO 6 ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 74
CONCLUSIONES ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 74
BIBLIOGRAFÍA -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 75
LISTADO DE FIGURAS ----------------------------------------------------------------------------------------------------------- 77
LISTADO DE TABLAS ------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 79
1
SÍNTESIS
En el presente trabajo se estudia la factibilidad del uso del ensayo no
destructivo radiográfico como método de identificación y cuantificación de
defectos originados en la recuperación de insertos de acero AISI H13 mediante
el proceso de soldadura por arco de tungsteno protegido por gas (GTAW, por sus
siglas en inglés). Dichas piezas son constituyentes de moldes para vaciado de
aluminio en el proceso de conformado de piezas automotores de combustión
interna.
El estado del arte aborda puntos descriptivos del empleo de la radiografía para
verificar la sanidad interna de componentes soldados mediante el proceso
GTAW, así como problemáticas relacionadas a la falla de elementos de acero
grado herramienta.
El caso de estudio de este documento se enfoca al empleo del ensayo no
destructivo radiográfico como método de detección y cuantificación de
discontinuidades generadas durante el proceso GTAW aplicado a la reparación
de moldes de acero AISI H13, determinando un criterio de aceptación o rechazo
mediante la correlación de los resultados con el anexo 5 de la norma Americana
AWS B 2.
PALABRAS CLAVE: GTAW, Radiografía, Rayos X, recuperación de moldes.
CAMPO ESPECÍFICO: Ensayos no destructivos.
2
CAPÍTULO 1
INTRODUCCIÓN Y ANTECEDENTES
1.1 Antecedentes
En la industria metal-mecánica, los aceros grado herramienta, gracias a los
elementos aleantes que contienen, brindan propiedades específicas, lo que se
traduce como una amplia gama de aplicaciones, entre las más comunes se
encuentran: extrusión, laminado, cizallado, troquelado, moldeo, inyección de
plásticos, entre otras. Estos aceros, son ampliamente usados para trabajo en
caliente (la serie H) ya que brindan una buena estabilidad de sus propiedades
mecánicas a altas temperaturas, como tenacidad, dureza y resistencia a la
tensión [1].
El proceso de manufactura de piezas involucra varios procesos, que van
desde el fundido y vaciado del material a moldes, y otros procesos de acabado
como la rectificación dimensional mediante maquinado. Tal es el caso de las
cabezas y/o monobloques empleados en automóviles. Durante el proceso de
conformado de los mismos, los moldes son expuestos a diferentes ciclos de
trabajo en los que los mismos experimentan algún daño estructural y/o
dimensional, lo que impacta en la morfología de las piezas moldeadas, pudiendo
ocasionar así la falla del funcionamiento de los motores de combustión interna.
Por esta razón, es de suma importancia el reemplazo o la reparación de dichos
3
componentes para no impactar en la calidad de la producción, y por tiempo y
costos, la opción más factible es la reparación del herramental [1].
En la industria, la soldadura es un proceso que ocupa un papel importante
en el proceso de recuperación, restauración y/o mantenimiento de piezas debido
a la rapidez y a la relación calidad-costo. En la reparación de componentes se
utiliza una amplia gama de procesos de soldadura, siendo un factor crítico el tipo
de falla y las propiedades funcionales requeridas. En el caso particular de
reparación de moldes, entre los procesos más utilizados debido a las buenas
propiedades que ofrece, se encuentra el proceso GTAW, debido a la alta calidad
de los cordones de soldadura depositados, libres de escoria, con un buen
acabado superficial y una alta estabilidad estructural.
Todas las soldaduras tienen una serie de discontinuidades, que muchas
veces no son perceptibles al ojo humano y que dependiendo su dimensión y su
origen se pueden considerar como defectos, ya sean rechazables o no; el
aseguramiento de la calidad de las piezas recuperadas por soldadura es de vital
importancia para asegurar la integridad mecánica dependiendo a las condiciones
de servicio a las cuales se encuentre expuestas, por ejemplo el desgaste, la
abrasión, impacto, altas temperaturas, entre otras. Es necesario realizar un
ensayo no destructivo a las zonas recuperadas antes de llevarlas a proceso de
maquinado, así detectaremos la cantidad y el tipo de discontinuidades presentes,
así mismo se disminuirán los costos de reprocesamiento de piezas, debido a que
si se lleva a maquinado algún herramental previamente reparado sin antes
haberse examinado mediante un ensayo no destructivo para asegurar su
integridad (para darle el acabo superficial final) ya que al ser maquinadas las
zonas reparadas, las discontinuidades serán destapadas, generando un mal
acabado que a su vez, estando en operación, ocasionan desprendimiento de
material durante el desmoldeo de la pieza, por consecuencia, las partes tendrán
que llevarse a proceso de soldadura y por ende tiempos muertos en la operación
de la planta.
4
1.2 Objetivos
1.2.1 Objetivo general
Aplicar ensayo no destructivo radiográfico a las zonas recuperadas de
moldes de acero grado herramienta H13 mediante proceso GTAW para
determinar las discontinuidades internas presentes.
1.2.2 Objetivos específicos
Aplicar el método radiográfico para determinar la factibilidad de uso
en la evaluación de moldes reparados de acero AISI H13, con base a lo
establecido a la especificación AWS B 2.1
Correlacionar resultados de la evaluación radiográfica con los
requerimientos de la especificación AWS B 2.1 para determinar los
criterios de aceptación y rechazo de las piezas recuperadas.
1.3 Planteamiento del problema
Se ha detectado la existencia de porosidad en zonas sujetas a recuperación
utilizando el proceso de soldadura GTAW, en moldes de acero AISI H13, lo que
impacta en tiempos muertos y paro de línea por reprocesamiento del mismo.
5
A consecuencia de que los moldes son sujetos a ciclos de trabajo en caliente
por la manufactura de piezas metálicas, experimentan daños que afectan
principalmente su morfología y/o estructura, lo que implica la generación de
defectos dimensionales en las piezas. Por esa razón, lo más factible, debido a
tiempo y costos, es la rehabilitación de las zonas dañadas mediante proceso de
soldadura. Debido a las buenas propiedades estructurales, el proceso GTAW es
usado para la rehabilitación de moldes utilizados para el conformado de piezas
metálicas.
La sanidad de dichas zonas recuperadas es de vital importancia en el proceso
de recuperación, debido a que todas las soldaduras presentan discontinuidades
generadas por el propio proceso de soldadura. El proceso GTAW puede generar
discontinuidades presentadas en la Tabla 1
Tabla 1: Discontinuidades comúnmente encontradas en el proceso GTAW [2]
El ensayo no destructivo radiográfico es ampliamente utilizado para detectar
la porosidad subsuperficial en soldaduras [2].
Determinar un criterio de aceptación y rechazo respaldado por un código y/o
especificación aplicable de las discontinuidades presentes en las zonas
recuperadas mediante proceso de soldadura, es una medida de calidad
necesaria, ya que, con ello, se evitaría el reprocesamiento de piezas que
presenten discontinuidades que impacten en la integridad mecánica del
herramental.
Proceso de soldadura
Porosidad Escoria Fusión incompleta
Penetración incompleta
Traslape Grietas
GTAW X X X X
6
1.4 Justificación
Las discontinuidades originadas durante los procesos de soldadura están
estrechamente ligados a la configuración de parámetros utilizados, entre los
cuales se encuentran amperaje, intensidad de corriente, gas de protección,
velocidad de enfriamiento, así como el factor humano, factores climáticos, calidad
de materiales, desgaste de equipo, entre otros. Éstos se deben controlar y
monitorear para asegurar uniones soldadas de buena calidad que cumplan con
estándares de calidad.
Actualmente existen diversos tipos de ensayos no destructivos, los cuales
permiten localizar y dimensionar la serie de imperfecciones que se presentan en
los procesos de soldadura. La radiografía es capaz de detectar discontinuidades
superficiales y subsuperficiales que no pueden ser detectadas mediante otros
tipos de ensayos no destructivos (líquidos penetrantes, partículas magnéticas,
ultrasonido, etc.) [3].
7
1.6 Aportación industrial
La aportación industrial que ofrece esta monografía es proponer el ensayo
radiográfico como la opción idónea para la evaluación de discontinuidades
presentes en la rehabilitación de moldes de acero AISI H13 recuperados
mediante el proceso GTAW, evaluando las discontinuidades presentes en las
zonas soldadas, estableciendo mediante la especificación Americana AWS B 2.1
un criterio de aceptación y rechazo para descartar los moldes recuperados que
no cumplan con los requerimientos previamente establecidos.
1.7 Alcance y delimitaciones
El alcance de la presente monografía se enfoca en la evaluación mediante
ensayo no destructivo radiográfico de las zonas rehabilitadas de moldes de acero
AISI H13 por el proceso de soldadura GTAW y se delimita a la correlación de los
resultados de la examinación radiográfica de las zonas recuperadas con los
requerimientos de la especificación AWS B 2.1, para determinar un criterio de
aceptación y/o rechazo de las imperfecciones propias del proceso GTAW.
8
CAPÍTULO 2
MARCO TEÓRICO
2.1 Soldadura GTAW
El proceso GTAW utiliza un arco eléctrico entre un electrodo no consumible y
la pieza de trabajo. La protección se logra mediante un gas inerte o una mezcla
de gases inertes, mismos que protegen al charco de soldadura y al mismo
electrodo de la degradación por efecto de la oxidación. El proceso también puede
implicar la alimentación mecanizada de material de relleno. Entre las aplicaciones
importantes se utiliza para unir acero inoxidable y metales ligeros como
aleaciones de magnesio y cobre, también es aplicado para reparar moldes y
herramental. Un ejemplo de soldadura GTAW se puede representar en la Fig. 1
[3,4].
9
Fig. 1: Proceso de soldadura GTAW [3]
Este tipo de soldadura es el método más adecuado para unir placas delgadas
de acero, así como metales ligeros, entre los cuales se encuentra el aluminio,
magnesio y algunas aleaciones de cobre. Dicho proceso se puede realizar por
métodos manuales, mecanizados o automáticos. La alimentación con alambre
frío y caliente son versiones automatizadas de esa técnica [3,5].
El material de relleno se suministra por separado por medio de alambre o
varilla. La combinación entre calentamiento lento y bajas temperaturas con las
bajas tasas de enfriamiento son características del proceso, que mejoran las
propiedades mecánicas del metal y de la zona afectada por el calor (HAZ). El
electrodo de tungsteno proporciona las condiciones para iniciar el arco. La fusión
es lenta, tanto las velocidades de penetración y deposición en comparación con
otros procesos, lo cual permite que la mayor parte de los gases generados
puedan escapar del charco de soldadura antes de que se solidifique [3,6].
2.2 Ventajas y limitaciones del proceso GTAW
10
Como todo proceso de soldadura, presenta una serie de ventajas, así como
de limitaciones, las cuales se citan a continuación [3,7]:
Las soldaduras producidas son de buena calidad, por lo regular libre
de defectos.
Soldaduras con bajo índice de distorsión.
Puede usarse para unir casi todos los metales, incluso materiales
disímiles.
Libre de salpicaduras, en comparación a otros procesos.
Se puede usar con o sin material de aporte.
Se puede tener control sobre el calor aportado por el arco.
No hay humos que limiten la visibilidad del proceso
Entre las limitaciones se encuentran las siguientes [3,7]:
Presencia de inclusiones de tungsteno si el electrodo hace contacto con el
charco de soldadura.
Poca o nula contaminación tanto del material base y aporte.
Contaminación del charco de soldadura si no se usan caudales de gas
apropiados.
Bajas velocidades de deposición.
2.3 Tipos de corriente usadas
El proceso TIG puede ser utilizado en varios modos de corriente, según la
aplicación y los resultados deseados, aunque también depende directamente de
la fuente de energía. Los modos que incluye corriente continua (DC), corriente
continua con electrodo negativo (DCEN), corriente continua con electrodo
11
positivo (DCEP) o corriente alterna y actualmente la corriente pulsada. Estos tipos
de corriente le brindan características específicas al arco y lógicamente a los
cordones de soldadura [4,8]
2.3.1 Corriente directa
Cuando se usa corriente directa, el proceso brinda la posibilidad de conectar
el electrodo a la terminal positiva (polaridad recta) o negativa (polaridad inversa)
de la fuente de potencia [8,9].
Por lo general, se elige que el electrodo sea negativo. Con esta polaridad, los
electrones fluyen de la pieza de trabajo al electrodo, en el caso contrario, cuando
el electrodo se conecta positivamente, los electrones fluyen del electrodo hacia
la pieza, así como se muestra en la Fig. 2 [8,9].
La corriente alterna pasa por una inversión de su polaridad, de electrodo
negativo a positivo y así sucesivamente. Usualmente su aplicación es para soldar
aceros inoxidables y aleaciones de magnesio, los cuales causan una distorsión
del arco y por consiguiente una reducción en la calidad de la soldadura [8,10].
12
Fig. 2: Polaridades del proceso GTAW [9]
2.3.2 Soldadura con corriente continua pulsada
En esta variante del proceso, la corriente oscila de forma repetitiva desde un
valor bajo (fondo) hasta un valor alto (pico). Los equipos de corriente continua
pulsada permiten modificar todos estos parámetros para que tengamos un mejor
control del arco, según la aplicación. Por lo regular se utiliza en el modo de
electrodo negativo (CCEN). La forma en cómo se comportan estos parámetros
se muestra en la Fig. 3 [9].
13
Fig. 3: Corriente pulsada [9]
Produce cordones de soldadura continuos los cuales consisten en puntos de
arco superpuestos. En la Fig. 4 se muestra una soldadura producida por arco
pulsado, en el cual cada punto se produce por la corriente de alto nivel mientras
que el nivel inferior permite que el punto de soldadura solidifique parcialmente,
dando lugar a que siga habiendo corriente para que no haya problemas de re-
ignición [8].
Fig. 4: Soldadura producida por arco pulsado [8]
14
2.4 Clasificación de los tipos de electrodo de tungsteno
El proceso GTAW usa un electrodo que no es consumible y que no se funde,
pero eso depende mucho del empleo que se le dé. Están hechos de tungsteno
puro o acompañado de aleaciones como el torio, el zirconio, el cerio y lantano los
cuales funden a los 3400°C el cual es el punto de fusión más alto entre todos los
materiales, por lo que alear al tungsteno con los materiales antes mencionados,
propicia a que los electrodos tengan una mayor eficiencia [9,10].
En la Tabla 2 se muestra el contenido de las aleaciones contenidas en los
diferentes tipos de electrodos usados para el proceso.
Tabla 2: Composición química de electrodos de tungsteno [9]
Símbolo de clasificación
(ISO 6848)
Requerimientos de composición química Código, valor y muestra de color
RGB
Adición de óxido Porcentaje de
impurezas
Porcentaje de
tungsteno Óxido
principal Porcentaje
en masa EWP (WP) Ninguno N.A. b 0.05 max 99.5 min Verde #008000
EWCe-2 (WCe 20) Ce02 1.8 – 2.2 0.05 max Balance Gris #808080 EWLa-1 (WLa 10) La2O2 .08 – 1.2 0.05 max Balance Negro #000000
EWLa-1.5 (WLa 15) La2O2 1.3 – 1.7 0.05 max Balance Dorado #FFD700 EWLa-2 (WLa20) La2O2 1.8 – 1.2 0.05 max Balance Azul #0000FF EWTh-1 (WTh 10) ThO2 .08 – 1.2 0.05 max Balance Amarillo #FFFF00 EWTh-2 (WTh 20) ThO2 1.7 – 2.2 0.05 max Balance Rojo #FF0000
(WTh 30) La2O2 2.8 – 3.2 0.05 max Balance Violeta #EE82EE EWZr-1 (WZr 3) ZrO2 .015 – 0.50 0.05 max Balance Café #A52A2A EWZr-8 (wzR8) ThO2 .08 – 1.2 0.05 max Balance Blanco #FFFFFF
EWG c d 0.05 max Balance °
2.4.1 Clasificación de electrodos EWP. Los electrodos de tungsteno
puro (EWP) contienen por lo menos 99.5% de tungsteno, y ningún elemento de
aleación. La capacidad de los electrodos de tungsteno puro de conducir la
corriente eléctrica es menor que la de los aleados. Los electrodos de tungsteno
15
puro se emplean principalmente con CA para soldar aleaciones de aluminio y
magnesio [9].
2.4.2 Electrodos EWTh. La emisión termoiónica del tungsteno puede
mejorarse aleándolo con óxidos metálicos que tienen funciones de trabajo muy
bajas. A consecuencia, estos electrodos pueden manejar corrientes más
elevadas sin fallar. El óxido de torio es uno de estos elementos aditivos; aumenta
en cerca del 20% la capacidad de transporte de corriente y hace al electrodo más
duradero [9].
2.4.3 Electrodos EWCe. Los electrodos de tungsteno con cerio se crearon
como una alternativa a los de torio ya que el cerio no es un elemento radioactivo.
En comparación con los electrodos de tungsteno puro, estos tienen menores
velocidades de vaporización o quemado. Trabajan con CA o CC [9].
2.4.4 Electrodos EWLa. Los electrodos EWLa-i se inventaron por la razón
que, el lantano es un material no radiactivo. Contienen 1 % de óxido de lantano
(La2O3), conocido como latitana. Las ventajas y características de operación de
estos electrodos son muy similares a las de los electrodos de tungsteno aleados
con cerio [9].
2.4.5 Electrodos EWZr. Los electrodos de tungsteno con zirconio (EWZr)
contienen una pequeña cantidad de óxido de zirconio, como se indica en la Tabla
2. Estos electrodos tienen características que generalmente están entre las del
tungsteno puro y las del tungsteno con torio. Son los electrodos preferidos para
soldar con CA porque combinan las características deseables de estabilidad del
arco y el extremo del electrodo en forma de bola típicas del tungsteno puro con
las características de capacidad de corriente y encendido del arco del tungsteno
con torio [9].
16
2.4.6 Electrodos EWG. Contiene una adición de óxidos no especificada
(tierras raras). En esta clasificación se incluye electrodos con adición de óxido de
itrio u óxido de magnesio. También se incluyen electrodos con cerio o lantano [9].
2.5 Gases de protección
El tipo de gas protector empleado para un proceso de soldadura en específico
tiene una incidencia considerable en la calidad de los cordones. Su función
principal es brindarle protección al charco de soldadura del oxígeno y nitrógeno
que se encuentra en la atmósfera, a su vez promueve una transferencia de
material de aporte uniforme y estabiliza el arco. El entender la interacción del gas
de protección durante el proceso de soldadura ayudará a la selección correcta
del gas y/o una mezcla de ellos para así mejorar las propiedades. El gas utilizado
debe de ser inerte, es decir, no debe reaccionar con el medio o con los materiales
involucrados en el proceso, normalmente dicho gas debe ser seleccionado de
acuerdo a la aplicación y al material a soldar [7].
Los gases más comúnmente usados como protección son el helio (He) y el
argón (Ar) o una mezcla de ambos, y en aplicaciones específicas se usa una
mezcla de hidrógeno y argón [11].
Argón. Por presentar un bajo potencial de ionización, propicia a un inicio
rápido y la estabilidad del arco. Su baja conductividad térmica favorece la
transferencia de tipo “spray” como la que se presenta en el proceso GMAW. Este
gas se usa en aplicaciones en donde se requiere que la distorsión del material
base sea controlada.
El argón presenta las siguientes ventajas [11]:
17
I. Ofrece menor penetración
II. Favorece una acción de limpieza
III. Con bajo flujo de gas se logra una buena protección
IV. Mayor resistencia a ráfagas cuando se trabaja al aire libre
Helio. Presenta una baja densidad, tiene un peso atómico de 4. Al igual que
el argón, es un gas inerte. Las mezclas de helio y argón se usan cuando se
requiere combinar las propiedades de ambos gases, así como reducir los costos,
debido a que el helio tiene un costo más elevado respecto al argón [11].
El helio presenta las siguientes ventajas:
I. Alta conductividad térmica
II. Mayor penetración del arco
III. Altas velocidades de soldadura
IV. Capacidad de soldar placas gruesas
Nitrógeno. Debido a que el nitrógeno es diatómico, es capaz de reasociarse
en la superficie de la pieza, por ende, transfiere más energía que el helio y el
argón. La desventaja es que debido a la absorción de nitrógeno en el charco de
soldadura, no es recomendable para uso en aceros debido a que lo anterior
representa una reducción en sus propiedades, entre ellas, la dureza [12].
El nitrógeno presenta las siguientes ventajas:
I. Se usa para soldar materiales de alta conductividad
II. Alta transferencia de energía
18
2.6 Consideraciones de calidad en el proceso GTAW
La soldadura GTAW puede producir cualquiera de las discontinuidades
comunes. Como todo proceso de soldadura, a pesar de que el proceso GTAW
es muy limpio, genera ciertos tipos de discontinuidades, las cuales se mencionan
en la Tabla 1, anteriormente mencionada [2].
2.6.1 Discontinuidades en Soldaduras de Arco
Las discontinuidades se pueden dividir en tres grandes clasificaciones:
relacionadas con el diseño, con el proceso de soldadura y metalúrgicas. Las
discontinuidades de diseño incluyen problemas con los detalles estructurales, la
elección del tipo incorrecto de junta de soldadura para una aplicación
determinada o cambios indeseables en la sección transversal. Las
discontinuidades resultantes del proceso de soldadura incluyen [13]:
1. Socavado: ranura fundida en el metal base adyacente a la raíz de una
soldadura y dejada sin carga por metal de soldadura (Fig. 5).
Fig. 5: Socavado [13]
19
2. Superposición: Es una protuberancia de metal de soldadura más allá del
pie, la cara o la raíz de la soldadura (Fig. 6).
Fig. 6: Superposición [13]
3. Inclusiones de escoria: material sólido no metálico atrapado en el metal
de soldadura o entre el metal de soldadura y el metal base (Fig. 7).
Fig. 7: Inclusión de escoria [13]
4. Inclusiones de tungsteno: Partículas de electrodos de tungsteno que
resultan de procedimientos inadecuados durante el proceso (Fig. 8).
Fig. 8: Inclusiones de tungsteno [fuente propia]
20
5. Rechupe: discontinuidades de tipo cavidad normalmente formadas por
contracción durante la solidificación (Fig. 9).
Fig. 9: Rechupe [fuente propia]
6. Inclusiones de óxido: Partículas de óxidos de la superficie que no se han
fundido y se han mezclado en el metal de soldadura (Fig. 10).
Fig. 10: Inclusiones de óxido [fuente propia]
7. Fusión incompleta: condición en la cual la fusión es menos que completa
(Fig. 11).
Fig. 11: Fusión incompleta [13]
21
8. Falta de penetración: condición en la que la penetración de la junta es
menor que la especificada (Fig.12).
Fig. 12: Falta de penetración [13]
9. Cráteres: depresiones en la terminación de un cordón de soldadura o en
el conjunto de soldaduras (Fig.13).
Fig. 13: Defecto identificado como cráter, según la literatura [13]
10. Salpicaduras: partículas de metal expulsadas durante la soldadura
ajenas al charco, las cuales han solidificado fuera del cordón y quedan
fusionadas al metal base (Fig.14).
22
Fig. 14: Salpicaduras [13]
11. Golpe de arco (quemaduras de arco): Discontinuidades consistentes en
cualquier metal fundido localizado, zona afectada por el calor, o cambio
en el perfil de la superficie de cualquier parte de una soldadura o metal
base resultante de un arco (Fig. 15).
Fig. 15: Golpe de arco [13]
La concurrencia de discontinuidades detectadas y sus cantidades relativas
depende en gran medida del proceso de soldadura utilizado, el método de
inspección, el diseño de la unión, el ajuste de parámetros, el material utilizado y
las condiciones de trabajo, así como las ambientales.
23
La porosidad por gas puede ocurrir en o justo debajo de la superficie de una
soldadura. Los poros se caracterizan por una forma de lágrima redondeada o
alargada con o sin una punta afilada. Los poros pueden distribuirse
uniformemente a lo largo de la soldadura o agruparse en pequeños grupos;
también pueden concentrarse en la raíz o la punta de la soldadura. La porosidad
en las soldaduras es causada por el atrapamiento de gas en el metal fundido, por
demasiada humedad en la base o el metal de relleno, o por una limpieza
inadecuada de la junta durante la preparación para la soldadura. El tipo de
porosidad dentro de una soldadura generalmente se designa por la cantidad y
distribución de los poros. Algunos de los tipos se clasifican de la siguiente manera
[13]:
• Porosidad uniformemente dispersa: caracterizada por poros dispersos
uniformemente a lo largo de la soldadura (Fig. 16 a).
• Porosidad agrupada: caracterizada por grupos de poros separados por áreas
libres de porosidad (Fig. 16 b).
• Porosidad lineal: caracterizada por poros que están linealmente distribuidos
(Fig. 16 c). La porosidad lineal generalmente ocurre en el pase de raíz y se asocia
con la penetración de la articulación incompleta.
• Porosidad alargada: caracterizada por poros muy alargados inclinados a la
dirección de soldadura. La porosidad alargada ocurre en un patrón de espiga
(Fig. 16 d).
• Porosidad de agujero de gusano: caracterizada por vacíos alargados con una
forma y textura de tipo gusano (Fig. 17).
24
Fig. 16 a, b, c y d: Diferentes tipos de porosidades [13]
Fig. 17: Porosidad agujero de gusano, corte longitudinal 20x [13]
La imagen radiográfica obtenida de la porosidad redonda aparece como
manchas redondas u ovales con bordes lisos, y la porosidad alargada aparece
como manchas ovales con el eje mayor varias veces más largas que el eje menor.
La imagen radiográfica de la porosidad de gusano depende en gran medida de
la orientación de la cavidad alargada con respecto al haz de rayos X. La presencia
de refuerzo en la superficie o en la raíz afecta la sensibilidad de la inspección y
la presencia de material extraño, flujo o salpicaduras de soldadura, puede
interferir con la interpretación de los resultados [13].
25
2.7 Aceros grado herramienta
Un acero grado herramienta es cualquier acero utilizado para fabricar
herramientas de corte, conformado o bien para darle forma a un material
introduciéndolo en un componente adaptado para producir una pieza, por lo
tanto, se diseñan para tener alta dureza y durabilidad bajo severas condiciones
de servicio [14].
Los aceros grado herramienta son de acero al carbono, de alta velocidad o
aleación y para obtener propiedades específicas pueden templarse y
endurecerse. La demanda de este tipo de aceros es creciente y actualmente
tienen aleaciones complejas con alto contenido de elementos aleantes como son:
tungsteno, molibdeno, vanadio, manganeso y cromo, entre otros. Estos
materiales aleantes permiten un incremento en las propiedades del material para
satisfacer un servicio [14].
La adición de elementos aleantes brinda propiedades específicas, lo que
favorece distintos tipos de aplicaciones en donde se pueden utilizar, como son:
estampado, troquelado, corte, cizallado, estirado, laminado, extrusión, entre otras
[14].
2.7.1 Clasificación de los aceros grado herramienta
Los distintos tipos de aceros grado herramienta se categorizan en clases en
concordancia con la clasificación que realiza el Instituto Americano del Hierro y
el Acero (AISI, por sus siglas en inglés) y la Sociedad de Ingenieros Automotrices
(SAE, por sus siglas en inglés). Se identifican por una letra que representa la
26
química, una característica única de esa clase de acero. El primer dígito indica la
categoría del acero, y el segundo indica el porcentaje aproximado del elemento
aleante predominante. Los dos últimos dígitos de la designación identifican el
contenido de carbono en centésimas de uno por cierto [14,15].
La Tabla 3 lista las composiciones químicas nominales y las distintas clases
de aceros grado herramienta que existen.
Los aceros para herramientas endurecibles en agua, AISI tipo W, (water-
hardening tool steel) tienen el menor contenido de aleantes y, por lo tanto, la
menor templabilidad de todos los tipos. Como resultado, los aceros tipo W
frecuentemente requieren temple en agua y las secciones grandes endurecen
sólo hasta una mínima profundidad [16].
Los aceros para herramientas trabajados en caliente, AISI tipo H, (hot work
tool steels) están dentro de los grupos que tienen Cr, Mo o W como aleantes
principales. Los aceros H se utilizan para forjado en caliente, extrusión y matrices
de fundiciones a presión de metales [16].
Tabla 3: Composición química de los aceros grado herramienta [16]
Identificación de elementos (% e.p.)
27
AISI UNS C Mn Si Cr V W Mo Co Ni
Acero enfriado en agua
W1 T72301 0.60-1.40 (a)
… … … … … … … …
W2 T72302 0.60-1.40 (a)
… … … 0.25 … … … …
W5 T72305 1.10 … … 0.50 … … … … …
Acero resistente al impacto
S1 T41901 0.50 … … 1.50 … 2.50 … … …
S2 T41902 0.50 … 1.00 … … … 0.50 … …
S5 T41905 0.55 0.80 2.00 … … … 0.40 … …
S6 T41906 0.45 1.40 2.25 1.50 … … 0.40 … …
S7 T41907 0.50 … … 3.25 … … 1.40 … …
Acero enfriado en aceite
O1 T31501 0.90 1.00 … 0.50 … 0.50 … … …
O2 T31502 0.90 1.60 … … … … … … …
O6(b) T31506 1.45 0.80 1.00 … … … 0.25 … …
O7 T31507 1.20 … … 0.75 … 1.75 … … …
Acero enfriado al aire
A2 T30102 1.00 … … 5.00 ... … 1.00 … …
A3 T30103 1.25 … … 5.00 1.00 … 1.00 … …
A4 T30104 1.00 2.00 … 1.00 ... … 1.00 … …
A6 T30106 0.70 2.00 … 1.00 ... … 1.25 … …
A7 T30107 2.225 … … 5.25 4.75 1.00(C) 1.00 … …
A8 T30108 0.55 … … 5.00 … 1.25 1.25 … …
A9 T30109 0.50 … … 5.00 1.00 … 1.40 … 1.50
A10(b) T30110 1.35 1.80 1.25 … ... … 1.50 … 1.80
28
Alto contenido de carbono y cromo
D2 T30402 1.50 … … 12.00 1.00 … 1.00 … …
D3 T30403 2.25 … … 12.00 … … … … …
D4 T30404 2.25 … … 12.00 … … 1.00 … …
D5 T30405 1.50 … … 12.00 … … 1.00 3.00 …
D7 T30407 2.35 … … 12.00 4.00 … 1.00 … …
Aceros especiales de baja aleación
L2 T61202 0.50-1.10(a)a
… … 1.00 0.20 … … … …
L6 T61206 0.70 … … 0.75 … … 0.25(c) … 1.50
Aceros al cromo trabajados en caliente
P2 T51602 0.07 … … 2.00 … … 0.20 … 0.50
P3 T51603 0.10 … … 0.60 … … … … 1.25
P4 T51604 0.07 … … 5.00 … … 0.75 … …
P5 T51605 0.10 … … 2.25 … … … … …
P6 T51606 0.10 … … 1.50 … … … … 3.50
P20 T51620 0.35 … … 1.70 … … 0.40 … …
P21 T51621 0.20 1.20(AI) … … … … … … 4.00
H10 T20810 0.40 … … 3.25 0.40 … 2.50 … …
H11 T20811 0.35 … … 5.00 0.40 … 1.50 … …
H12 T20812 0.35 … … 5.00 0.40 1.50 1.50 … …
H13 0.035 .20-.50 1.0 5.00 1.00 … 1.5 … 0.30 máx
H14 T20814 0.40 … … 5.00 … 5.00 … … …
H19 T20819 0.40 … … 4.25 2.00 4.25 … 4.25 …
Aceros al molibdeno
H42 T20842 0.60 … … 4.00 2.00 6.00 5.00 … …
6G … 0.55 0.80 0.25 1.00 0.10 … 0.45 … …
6F2 … 0.55 0.75 0.25 1.00 … … 0.30 … 1.00
6F3 … 0.55 0.60 0.85 1.00 0.10 … 0.75 … 1.80
Aceros al tungsteno para alta velocidad
T1 T12001 0.75(a) … … 4.00 1.00 18.00 … … …
T2 T12002 0.80 … … 4.00 2.00 18.00 … … …
T4 T12004 0.75 … … 4.00 1.00 18.00 … 5.00 …
T5 T12005 0.80 … … 4.00 2.00 18.00 … 8.00 …
T6 T12006 0.80 … … 4.50 1.50 20.00 … 12.00 …
T8 T12008 0.75 … … 4.00 2.00 14.00 … 5.00 …
T15 T12015 1.50 … … 4.00 5.00 12.00 … 5.00 …
Aceros al molibdeno para alta velocidad
M1 T11301 0.80(a) … … 4.00 1.00 1.50 8.00 … …
M2 T11302 0.85-1.00(a)
… … 4.00 2.00 6.00 5.00 … …
M3 C1 T11313 1.05 … … 4.00 2.40 6.00 5.00 … …
M3 C2 T11323 1.20 … … 4.00 3.00 6.00 5.00 … …
M4 T11304 1.30 … … 4.00 4.00 5.50 4.50 … …
M6 T11306 0.80 … … 4.00 2.00 4.00 5.00 12.00 …
M7 T11307 1.00 … … 4.00 2.00 1.75 8.75 … …
29
M10 T11310 0.85-1.00(a)
… … 4.00 2.00 … 8.00 … …
M30 T11330 0.80 … … 4.00 1.25 2.00 8.00 5.00 …
M33 T11333 0.90 … … 4.00 1.15 1.50 9.50 8.00 …
M34 T11334 0.90 … … 4.00 2.00 2.00 8.00 8.00 …
M36 T11336 0.80 … … 4.00 2.00 6.00 5.00 8.00 …
Aceros de alta velocidad
M41 T11341 1.10 … … 4.25 2.00 6.75 3.75 5.00 …
M42 T11342 1.10 … … 3.75 1.15 150 9.50 8.00 …
M43 T11343 1.20 … … 3.75 1.60 2.75 8.00 8.25 …
M44 T11344 1.15 … … 4.25 2.00 5.25 6.25 12.00 …
M46 T11346 1.25 … … 4.00 3.20 2.00 8.25 8.25 …
M47 T11347 1.10 … … 3.75 1.25 1.50 9.50 5.00 …
(a) Pueden estar disponibles otros contenidos de carbono
(b) Contiene grafito en la microestructura para mejorar la maquinabilidad
(c) Opcional
2.7.2 Aceros grado herramienta H13
El acero AISI H13 es un acero con contenido del 5% de Cr (Tabla 4) de ultra
alta resistencia. El contenido de vanadio conduce a una mayor dispersión de
carburos de vanadio, lo que propicia a un aumento en la resistencia al desgaste.
Dependiendo del productor, el contenido de carbono puede variar (dentro de los
rangos de aceptación) y el tratamiento térmico aplicado son factores
determinantes que conllevan a una variación en sus propiedades (resistencia y
ductilidad). La Tabla 5 muestra las propiedades mecánicas del mismo. Posee la
característica de mantener una alta dureza y resistencia a temperaturas
elevadas, así como una buena resistencia al impacto y a la fatiga térmica (Tabla
6). Al acero endurecido por aire, entre sus aplicaciones de trabajo en caliente, es
aplicado en troqueles de fundición, herramientas de moldeo por inyección de
plástico y herramientas de forja. Se usan principalmente para fundición a presión
de aluminio y magnesio, insertos, émbolos, matrices de forjado, matrices de
30
extrusión, así como para la fabricación de piezas de construcción o piezas
automotrices, respectivamente [15,17].
Tabla 4: Composición química del acero AISI H13 [17]
Tabla 5:: Propiedades mecánicas del acero AISI H13 [17]
Tabla 6: Resistencia al reblandecimiento durante exposición a temperatura elevada [17]
Este acero es fácilmente tratado térmicamente para mejorar y homogeneizar
su microestructura. Dicha homogeneidad da como resultado que su vida útil se
prolongue [18].
Designación Composición % en peso
AISI C Mn Si Cr Ni Mo V
0.32-0.35 0.20-.50 0.80-1.20 4.75-5.50 0.30 máx. 1.10-1.75 0.80-1.20
Esfuerzo de tensión MPa
Esfuerzo de cedencia
MPa
Elongación %
Reducción de área
%
Energía de impacto (Charpy)
J
Dureza (HRc)
1960 1570 13 46.2 16 52
Temperatura de
exposición (°C)
Dureza en escala Rockwell C
después de una exposición por
4 hrs 10 hrs 50 hrs 100 hrs
Dureza inicial: 55 HRC
1000 55 54 50 48
1100 50 46 34 30
1150 41 36 28 27
1200 35 31 27 26
31
2.7.3 Soldabilidad de los aceros grado herramienta
La destreza del soldador es un factor importante al momento de soldar un
acero. La omisión de los procesos de precalentamiento, postcalentamiento, el
alivio de las tensiones provocadas por el propio proceso y el templado es la causa
principal de los problemas de agrietamiento aunado a la mala preparación y la
eliminación parcial de las grietas antes de soldar [19].
Cuando la soldabilidad de aceros grado herramienta implica un proceso de
soldadura por arco, a menudo involucra la adición de material de aporte en el
charco de soldadura. El arco es protegido con gas inerte o una mezcla de los
mismos, fundente o un revestimiento de electrodo que se descompone durante
la soldadura.
Los aceros grado herramienta se sueldan para lograr uno o más de los
siguientes objetivos [20]:
Ensamblar componentes para formar herramientas o moldes
Fabricar una herramienta o molde usando técnicas de recubrimiento que
brinden propiedades específicas
Corregir y/o mejorar las propiedades de rectificado o maquinado
Reparación de grietas o áreas dañadas.
32
2.7.4 Reparación de moldes por soldadura
A nivel industrial, la soldadura es la opción más adecuada para la reparación
de herramental que presenta algún daño estructural debido a los ciclos y/o
condiciones de trabajo a los cuales están expuestos los componentes.
Para llevar a cabo una reparación de cualquier tipo de herramental, se deben
considerar los siguientes criterios [20]:
Determinar el tipo de material a soldar y su condición relacionada al
tratamiento térmico.
Realizar cualquier tratamiento térmico necesario para preparar a la pieza
de trabajo para soldar.
Preparar la superficie con el herramental necesario.
Seleccionar el proceso de soldadura apropiado y el material de relleno que
satisfaga los requisitos de aplicación.
Seleccionar el electrodo y/o alambre del que según las necesidades,
ofrezca las mejores propiedades.
Precalentar el acero a una temperatura adecuada, asegurando que la
pieza se caliente de manera uniforme.
Durante el proceso de soldadura, mantener la temperatura entre pasadas
Post calentar inmediatamente después de la aplicación de la soldadura
para minimizar la diferencia de temperatura entre el depósito de soldadura
y el metal base.
Propiciar un enfriamiento más rápido que a temperatura ambiente y
posteriormente aplicar post tratamiento térmico para lograr propiedades
deseadas.
33
Cuando se practica una reparación de troqueles utilizados en la industria
automotriz, se debe tener un especial cuidado con la preparación de la pieza a
recuperar para garantizar una buena adherencia del metal de soldadura al
material base, el área a reparar se debe desbastar lo suficiente como para
depositar al menos dos capas de material de aporte [20].
2.8 Ensayos no destructivos
La integridad estructural de los materiales, componentes y/o estructuras es de
suma importancia evaluarse para el control de la calidad mediante normas
aplicables, con el objetivo de cumplir con las especificaciones del producto.
Actualmente existen numerosas técnicas de inspección que han sido
desarrolladas para el evaluar la condición y mantenimiento de las mismas. Estas
técnicas se han clasificado en dos clases: ensayos destructivos, basados en la
alteración irreversible de su composición química, propiedades mecánicas o
dimensionales y ensayos no destructivos (NDT, por sus siglas en inglés) los
cuales dejan intacto al espécimen inspeccionado [21].
A nivel mundial existen asociaciones que se dedican a la capacitación de
personal en ensayos no destructivos, por ejemplo la Asociación Americana de
Ensayos no Destructivos (ASNT, por sus siglas en inglés) o la Asociación
Española de Ensayos No Destructivos.
Los ensayos no destructivos son relevantes para la inspección de
componentes grandes y costosos. Las industrias aeroespacial, nuclear,
automotriz e hidrocarburos son solo algunos ejemplos que ocupan determinados
ensayos no destructivos para cerciorar la integridad mecánica de sus productos.
Los métodos de ensayo no destructivo más comúnmente utilizados incluyen
34
inspección visual, partículas magnéticas, líquidos penetrantes, ultrasonido,
radiografía, y corrientes de Eddy [21].
Ejemplos de la aplicación de estas técnicas se mencionan a continuación [21]:
Detección de discontinuidades.
Evaluación estructural de un componente.
Metrología y propósitos dimensionales (medición de espesores,
alineación).
Determinación de propiedades físicas de un material (eléctricas,
magnéticas o mecánicas).
El objetivo principal de un examen no destructivo es proporcionar al inspector
información cuantitativa y cualitativa, esto se logra ubicando y dimensionando
cualquier imperfección detectada. Estos defectos comienzan como fallas
menores que pueden ocurrir como resultado del propio proceso de manufactura,
maquinado, tensiones externas y del mecanismo de daño. La cuantificación de
defectos requiere una experiencia y/o destreza considerables y a menudo
demanda del empleo de más de un método NDT, debido a que cada método es
capaz de proporcionar información limitada sobre una categoría específica de
defectos [21].
2.9 Ensayo Radiográfico (RT)
El ensayo radiográfico es un método de examen no destructivo que utiliza la
radiación para penetrar en una variedad de elementos de grabación, tales como
una película o papel fotosensible. Es una “imagen de sombra” o imagen
producida por la radiación que pasa a través del objeto a examinar, efecto de los
rayos X o de la acción de isótopos radioactivos [22,23].
35
La energía de radiación tiene propiedades que le permiten atravesar
materiales además de ionizarlos, están estrechamente ligadas a la longitud de
onda que poseen, aproximadamente de 1/10000” de la luz visible, lo cual se
aprovecha para obtener buenas imágenes radiográficas ya que la radiación
emitida de ambas fuentes se comporta de manera similar [24].
La densidad del material en una discontinuidad (es decir, el aire en el caso de
una grieta, fusión incompleta o porosidad) es menor que la del metal sólido. La
diferencia en la densidad de materiales atenúa la radiación a diferentes niveles
y, en consecuencia, produce variaciones de densidad óptica en la película o
placa. Como consecuencia, las áreas del elemento que les falta metal de
soldadura son reveladas por una imagen mucho más obscura que el área soldada
en la película de visualización (Fig. 18) [3,25].
Fig. 18: Esquema de pieza radiada [25]
36
La densidad del material puede afectarse por el propio material (por ejemplo,
el tungsteno es mucho más denso que el acero o el aluminio, por lo tanto, es
mejor evitar que la radiación pase a través de él, lo cual resulta en una indicación
de baja densidad en la película) o por el espesor de un material dado (por
ejemplo, cuanto más grueso es el material, más detiene la radiación y produce
una imagen más clara sobre la película). La selección de la fuente de radiación
(rayos x o gamma) y el potencial de la misma, es un factor crítico a considerar
para un determinado espesor de soldadura. Si la energía de la fuente es
demasiado alta o demasiado baja para un determinado espesor de material, el
resultado puede ser un contraste bajo y sensibilidad radiográfica deficiente. Por
este motivo, el uso de un negatoscopio con variación de la intensidad de la luz
es útil para la visualización y el análisis de las radiografías [3].
Para determinar la densidad de la película en varios puntos, es necesario
contar con un dispositivo denominado densitómetro. Para indicar la sensibilidad
adquirida de una radiografía se emplea un dispositivo denominado indicador de
calidad de imagen (IQI, por sus siglas en inglés) que se coloca adyacente a la
zona de interés. Existen dos tipos de indicadores IQI, el primer tipo es una
plaqueta de un espesor determinado (basado en el espesor de la pieza de
prueba) que contiene una serie de agujeros de diferentes diámetros. El segundo
tipo de IQI es el alambre, compuesto por alambres de diámetros especificados.
La sensibilidad de la radiografía se determina al reconocer cuál de los orificios, o
cuál diámetro de alambre, es visible en la imagen (Fig. 19). [3]
Fig. 19: Penetrámetros, indicadores de calidad de imagen en forma de plaqueta y alambre [3]
37
Algunos de los defectos que se pueden llegar a presentar son [26]:
- Defectos planares
- Grietas
- Falta de fusión
- Penetración incompleta
- Cavidades
- Agujeros de gusano
- Cavidades superficiales
- Inclusiones de escoria
Posteriormente de la identificación de los defectos presentes, es pertinente
decidir si es demasiado grande como para rechazar la junta [26].
2.9.1 Ventajas del ensayo radiográfico
La radiografía puede detectar discontinuidades superficiales (socavación,
penetración incompleta de la junta, refuerzo de soldadura excesivo, falta de
llenado, etc.) y subsuperficiales, que no pueden detectarse mediante inspección
visual, por partículas magnéticas o métodos de tinte penetrante, y que podrían
no ser detectadas por métodos ultrasónicos debido a la geometría de la pieza y
la preparación previa para interpretar los resultados. [3].
El equipo para realizar la inspección radiográfica es portátil, lo cual significa
una ventaja sobre otros ensayos no destructivos. Todos los materiales pueden
ser examinados mediante este ensayo. La técnica suele ser eficiente para
detectar defectos volumétricos.[27]
38
2.9.2 Desventajas del ensayo radiográfico
Se requieren radiólogos calificados y experimentados para poder realizar
la prueba.
Consideraciones de salud; los radiólogos calificados deben ser
monitoreados debido a la exposición a la radiación.
La profundidad y la dimensión del espesor de un defecto es difícil de
determinar.
Existe una limitación en el espesor que se puede radiografiar, todo
depende de la técnica de inspección radiográfica que se utilice y de la
orientación de la fuente de rayos x con respecto a la pieza a examinar [27].
2.9.3 Limitaciones del ensayo radiográfico
El costo de la radiografía generalmente aumenta a medida que la complejidad
de la junta incrementa, y la cantidad de información que se puede obtener es
mucho más limitada. Las discontinuidades deben estar aproximadamente
alineadas con el haz de radiación. No es un problema en el caso de
discontinuidades como porosidad o escoria ya que la sección transversal es
redonda y se alinean con el haz desde cualquier dirección. Por otra parte, las
grietas, la fusión incompleta y la penetración incompleta de la junta deben estar
alineadas con el haz para que se puedan localizar [3].
39
El ensayo radiográfico requiere de un espacio y una atmósfera controlada para
que la radiación no sea perjudicial para el personal. El alto costo de las máquinas
con las que se realizan los rayos X, los isótopos radioactivos y licencias, el control
de dosimetría de exposición y equipos de procesamiento de películas suelen ser
una limitante para dicho ensayo [22].
2.10 AWS B2.1
Esta especificación define y establece variables de calificación; el criterio para
determinar si una condición de soldadura va más allá de la tolerancia permisible,
si afecta las propiedades de una soldadura sana en la medida en que las
propiedades pueden no cumplir con el mínimo especificado [28].
Los metales base y los metales de relleno se han agrupado en categorías que
minimizarán el número de pruebas requeridas. La sustitución de un metal base o
metal de aporte por otro, incluso cuando esté dentro de las reglas permitidas,
solo debe hacerse después de una evaluación de los factores involucrados. Los
materiales que no figuran en la Tabla IV-1 del anexo IV de la especificación en
cuestión requieren una calificación por separado [28].
2.10.1 Alcance
El propósito de esta especificación es ser destinada para ser utilizada cuando
se hace referencia a ella por un producto o código de fabricación, especificación,
40
documento de contrato o documentos internos, como control de calidad o
manuales de garantía de calidad [28].
Esta especificación está diseñada para usarse con los siguientes procesos de
soldadura [28]:
Soldadura Oxiacetilénica (OFW)
Soldadura manual por arco con electrodo revestido (SMAW)
Soldadura de arco, tungsteno y gas (GTAW)
Soldadura por arco sumergido (SAW)
Soldadura de arco metálico con gas (GMAW)
Soldadura de arco con núcleo fundente (FCAW)
Soldadura por plasma (PAW)
Soldadura por electro escoria (ESW)
Soldadura electrogás (EGW)
Soldadura por haz de electrones (EBW)
Soldadura láser (LBW)
Soldadura de pernos (SW)
2.10.2 Procedimiento de examen radiográfico
Las radiografías se realizarán ya sea por rayos X u otros métodos de fuente
de radiación de alta energía. La película debe estar limpia y libre de artefactos y
defectos de procesamiento de película en el área de interés [28].
Se examinará toda la soldadura, excepto el descarte en la placa. Cuando la
prueba de calificación es una soldadura de prueba estándar, se debe examinar
un mínimo de 6 pulgadas de longitud de soldadura, excepto para las tuberías, se
debe examinar toda la soldadura [28].
41
Cuando la calificación se basa en una pieza soldada de producción, el criterio
para la aceptación de la soldadura debe ser el requerido por el documento de
referencia. Los criterios para la aceptación del soldador o del operador de
soldadura deben estar de acuerdo con los criterios de aceptación [28].
2.10.3 Criterios de aceptación
Según la especificación, la aceptación debe estar de acuerdo con los
siguientes requisitos [28]:
(1) No debe haber grietas, penetración incompleta de la junta o fusión
incompleta. Se permite la concavidad de la raíz en la soldadura de prueba,
siempre que la densidad de la película a través de la soldadura no sea inferior a
la del metal base.
(2) Las indicaciones lineales aceptables serán las que se muestran en la Tabla
7. Las discontinuidades lineales son aquellas en las que la longitud es más de
tres veces el ancho.
(3) Las indicaciones redondeadas aceptables serán las que se muestran en la
Tabla 8 y como gráfico la Fig. 20 a, b, c y d en el caso de que las soldaduras a
examinar cumplan con las dimensiones ahí descritas. Las discontinuidades
redondeadas son aquellas que tienen una longitud inferior a tres veces el ancho
y pueden ser de forma circular, elíptica o irregular.
42
Tabla 7: Discontinuidades lineales permisibles en RT [28]
(1) Indicaciones alineadas son aquellas donde la distancia entre la indicación sucesiva es menor que 6L, donde L
es la longitud de la indicación más larga en el grupo.
Fig. 20 a, b, c y d: Descripción gráfica discontinuidades redondeadas permisibles en RT [28]
Espesor del metal de
soldadura (t), in.
Tamaño máximo de
discontinuidades (in)
Indicaciones alineadas con la
longitud máxima (1)
Hasta 3/8 1/8 t en una longitud de 12t
De 3/8 hasta 2-1/4 1/3t t en una longitud de 12t
Más de 2-1/4 3/4 t en una longitud de 12t
43
Tabla 8: Discontinuidades redondeadas permisibles en RT [28]
(1) Las indicaciones redondeadas de menos de 1/32 de diámetro máximo no se deben considerar en este rango de espesor. Se permite la concavidad de la raíz siempre que la densidad de la película a través del área de interés no sea inferior a la del metal base.
CAPÍTULO 3
ESTADO DEL ARTE
El trabajo realizado por el investigador D. Papageorgiou y colaboradores en el
año 2013 [29], a cargo del departamento de física, química y tecnología de
materiales del Instituto Tecnológico Educativo del Pireo en Grecia, se analizó la
fractura de un molde empleado para la inyección de plástico. Dicho molde fue
fabricado en acero AISI H13, el cual su objetivo era la producción de copas de
plástico usados en el cierre exterior de latas cilíndricas de aluminio destinadas al
empaque de café.
Espesor del metal de soldadura (t)
Máximo de discontinuidades permisibles
Individual Múltiple
Menor que 1/8 20% de t Un máximo de 12 indicaciones aceptables en 6 in (150mm) de
soldadura
1/8 o espesor(1) Menos de 20% de t ò 1/8 in (3.2mm)
Por gráfico, Fig. 20 a, b, c y d.
44
La indagatoria comienza a partir de la examinación dimensional del molde; el
lado lateral tiene una vía de refrigeración periférica, este cambio de la sección
transversal no fue consecutivo a radios adecuados.
La prueba de dureza fue realizada en lados del espécimen libre de corrosión
(en el área de inyección), la cual no presenta alteración, el resultado es 50 HRC.
El material se examinó metalográficamente el cual reveló su microestructura
martensítica, se puede observar en la Fig. 21. El agua de enfriamiento es de mala
calidad, con alto contenido en sales el cual es un indicio de la generación de
corrosión. Las irregularidades de las superficies pueden provocar un flujo
turbulento. Como resultado, una parte del agua puede quedarse estancada, lo
cual se interpreta en mala refrigeración, por consecuente el enfriamiento es
insuficiente y ello detona una expansión del espécimen. En las áreas con buena
circulación el enfriamiento se lleva acabo de manera correcta, representando una
contracción del material. Debido a ello, se puede diferir que la pieza se
encontraba en esfuerzos cíclicos de contracción y expansión, provocando la
iniciación de la grieta (Fig. 22).
Fig. 21: Microestructura martensítica presente en acero AISI H13 [29]
45
Fig. 22: Grieta en el espécimen producida por esfuerzos de expansión-compresión [29]
La deficiencia del diseño y las condiciones de enfriamiento inadecuadas
generaron un complejo mecanismo de fractura por fatiga y corrosión lo cual
impacta en el daño del molde después de la mitad de la vida útil estimada.
Una investigación realizada en enero del año 2016 por investigadores del
departamento de Ingeniería Mecánica e Ingeniería de Maquinaria Minera del
Instituto Indio de Tecnología [30], se basa en el análisis de la fuerza de
compresión de una junta soldada mediante el proceso GTAW utilizando un
electrodo de tungsteno al zirconio de 3.4 mm y aluminio ER 2219 como material
de relleno. La probeta consiste en un tubo de aluminio comercial soldada a una
placa de aluminio 2025, a los cuales se autenticaron sus propiedades mecánicas
y metalúrgicas después de haber sido sometidas al proceso de unión. Un total de
25 piezas fueron ensayadas mediante compresión y posteriormente se obtuvo su
dureza para evaluar la resistencia de la articulación. Para asegurar la calidad de
las juntas soldadas en términos de seguridad y fiabilidad se realizan pruebas
radiográficas. La resistencia a la compresión y dureza se midieron para verificar
la resistencia óptima de la junta.
Para los resultados, se prepararon 20 especímenes, los cuales se soldaron
mediante una técnica de cordones multipaso, y limpieza entre cordón y cordón
46
con un cepillo especial. Posteriormente se sometieron a esfuerzo de compresión
para obtener la resistencia a la compresión de las juntas soldadas (Fig. 23). El
valor de compresión más alto es un valor aproximado de 174.846 MPa para una
probeta en la que los parámetros fueron los siguientes:
Corriente 120 Amps
Velocidad de alimentación 70 mm / s
Stick out: 8 mm
La máxima resistencia a la compresión (Fig. 24) se logra principalmente debido
al alto flujo de corriente durante el proceso de soldadura y el paso múltiple del
electrodo en la interfaz de soldadura. Se puede verificar por el refinamiento de
grano en la unión, causando impacto sobre las propiedades mecánicas de la
articulación, ofreciendo así una buena resistencia a la tensión.
Se tomaron dos muestras que poseen la resistencia a la compresión más baja
y más alta. Las diferencias entre estas dos muestras se comparan realizando una
prueba radiográfica para visualizar las discontinuidades que se hayan podido
generar durante el proceso de soldadura. El ensayo se llevó a cabo mediante
rayos gamma con una fuente de cobalto. En los resultados de la examinación
radiográfica (Fig. 25 a y b) no se mostraron discontinuidades presentes en la
unión de la placa con el tubo [30].
47
Fig. 23: Muestras soldadas [30]
Fig. 24: Resultado del ensayo de las probetas [30]
48
Fig. 25 a y b: a) mínima resistencia a la compresión, b) máxima resistencia a la compresión [30]
49
La nitruración gaseosa se ha convertido en un popular tratamiento difusional
superficial para mejorar las propiedades superficiales, tanto propiedades de
desgaste como de fatiga térmica y mecánica del hierro y del acero.
En el presente año 2017, un estudio realizado por el investigador Bo Wang y
colaboradores [31], en donde llevaron a cabo la nitruración de acero AISI H13
con un flujo de gas NH3 a 550°C con una permanencia de 10 hrs. Se usaron tres
capas nitruradas, las cuales mostraron una excelente resistencia al desgaste bajo
cargas de 100N, pero mostró un funcionamiento deteriorado grave bajo
condiciones de 300N.
El proceso difusional se llevó a cabo mediante tres potenciales de nitrógeno,
de 0.18, 0.88 y 2.8 durante 10 hrs. En la Fig. 26a se muestra que no hay ninguna
capa blanca como indicador del compuesto sobre la superficie nitrurada. En la
Fig. 26b se observa dicha capa blanca solo que es demasiado superficial lo que
denota que no fue suficiente el potencial de hidrógeno. En la Fig. 26c observamos
la pieza nitrurada con un potencial de 2.8 durante dos horas, se puede observar
un nivel general de mejora del espesor de la capa nitrurada.
La experimentación demostró que el potencial de hidrógeno usado en cada
uno de los casos aumentó la dureza superficial de cada uno de los especímenes,
los cuales a bajas cargas (100N) demuestran una buena resistencia al desgaste,
mientras que a altas cargas (300N) sus propiedades mecánicas se ven
comprometidas y no ofrecen una muy buena resistencia al desgaste superficial
[31].
50
Fig. 26 a, b y c: Sección transversal de las piezas nitruradas [31]
El desgaste que experimentan los materiales es proporcional al tipo de
condiciones a las cuales se someten y al servicio que se les encomiende. En los
procesos de trabajo en caliente, la carga mecánica y térmica es cíclica, lo cual
difiere en un daño superficial que se genera en los aceros que se someten a estas
condiciones, por ejemplo el acero AISI H13. Se ha demostrado que el desgaste
es un factor limitante en la vida útil de las piezas. Mejorar las propiedades
mecánicas que propicien resistencia al desgaste, y por lo tanto, prologar la vida
útil es uno de los desafíos de los investigadores. Generalmente, la resistencia al
desgaste se encuentra estrechamente ligada a la microestructura del acero y a
los tratamientos térmicos con los cuales se llegue a tratar dichos componentes.
51
Se ha demostrado que el comportamiento al desgaste de un acero AISI H13
depende del tamaño y distribución de la martensita. El comportamiento de
desgaste y el mecanismo de desgaste del acero H13 se estudiaron
sistemáticamente con un rango de carga normal de 50-200 N a un intervalo de
temperatura ambiente de 25-40 ºC en un estudio realizado por S. Q. Wang y
colaboradores [32]. En la Fig. 27, se observan los resultados obtenidos a partir
de la experimentación realizada. Se denota que la resistencia al desgaste se
correlacionaba estrechamente con las condiciones de templado y el mecanismo
de desgaste. El acero primeramente se austenizó a 1040°C durante 20 minutos
y se enfrió lentamente para así obtener una pequeña cantidad de austenita
retenida. Después de ello se templó a 200, 440, 500, 600 y 700°C durante 2 hrs
y el mecanismo de enfriamiento fue al aire. Se consiguió un endurecimiento
secundario con una dureza de 56 HRC a 500°C. Para la resistencia al impacto,
apareció una tendencia inversa en comparación con la variación de la dureza,
debido a que en el acero con mayor dureza la ductilidad decreció y se volvió más
frágil, por lo tanto más susceptible al trabajo de impacto.
Fig. 27: Variación de la dureza y trabajo de impacto [32]
52
En conclusión, durante el proceso, un desgaste mecánico prevaleció a 25°C,
los especímenes de alta dureza (templado a 200, 440 y 600°C) presentaron las
mejores resistencias al desgaste y los especímenes de baja dureza (templado en
650 y 700°C) la menor. La baja resistencia al desgaste de la muestra de alta
dureza (templada a 500 ° C) podría atribuirse a su menor resistencia a la fractura
[32].
53
CAPÍTULO 4
CASO DE ESTUDIO
En este capítulo se presenta el desarrollo de la metodología que se utilizó para
la rehabilitación de insertos de AISI H13 mediante el proceso GTAW. Dichos
insertos (Fig. 28) pertenecen a moldes que sirven para el vaciado de aluminio y
formado de cabezas que son usadas para motores de automóviles, las piezas
pertenecen a una empresa dedicada a la industria metal-mecánica ubicada en
Saltillo, Coahuila México.
Fig. 28: Inserto erosionado de acero AISI H13 [cortesía empresa metal-mecánica]
Posterior a la rehabilitación de los insertos erosionados por el propio proceso
de vaciado y moldeado (Fig. 29), se sometieron a ensayo no destructivo
54
radiográfico para identificar las discontinuidades generadas durante el proceso
de soldadura, los resultados obtenidos se correlacionarán con la especificación
AWS B 2.1 para determinar si las piezas recuperadas cuentan con los criterios
de aceptación y pasan a proceso de maquinado o se rechazan y se vuelven a
soldar.
Fig. 29: Inserto rehabilitado [cortesía empresa metal-mecánica]
El problema radica en la presencia de porosidad en la zona del inserto
recuperado (Fig. 30), generando con esto el desgaste prematuro de los
especímenes y la generación de otro tipo de defectos como cuarteaduras, grietas,
erosión, desprendimiento de material, por otro lado, propician al
dimensionamiento erróneo de la pieza vaciada.
55
Fig. 30: Inserto con porosidad [cortesía empresa metal-metálica]
4.1 Materiales y equipo
En la actualidad, los aceros grado herramienta son empleados en el área de
la producción de piezas plásticas y/o metálicas, dicho trabajo representa
constantes ciclos de calentamiento y enfriamiento, lo cual demanda materiales
con estabilidad mecánica a altas temperaturas. El acero AISI H13, gracias a que
es un acero de medio carbono y a los elementos aleantes presentes en su
composición química brindan las características necesarias para que cumplan la
función anteriormente descrita. Como material de aporte se usaron electrodos
tipo Eureka (eureka 31), el cual tiene buena resistencia a la fatiga térmica cuando
se somete a ciclos alternativos de calentamiento y enfriamiento.
En la Tabla 9 se muestra la composición química del acero AISI H13 y a su
vez en la Tabla 10 se presentan las propiedades mecánicas, en la Tabla 11 se
muestra la composición química del material de aporte tipo eureka 31.
56
Tabla 9: Composición química del acero AISI H13
Tabla 10: Propiedades mecánicas del acero AISI H13
Tabla 11: Composición química del material de aporte tipo Eureka 31 [cortesía empresa metal-mecánica]
La caracterización microestructural de las zonas de interés se llevó a cabo
mediante microscopía óptica, se usó un microscopio de platina invertida de la
marca Nikon modelo Eclipse MA200 y microscopia electrónica de barrido con un
equipo Bruker Xsense modelo Tescan Mira 3. Para los perfiles de microdureza
se utilizó un microdurómetro de la marca Wilson Wardness, modelo Tukon 2500,
empleando 500 gr de carga por cada identación.
Designación Composición % en peso
AISI C Mn Si Cr Ni Mo V
0.32-0.35 .20-.50 .80-1.20 4.75-5.50 0.30 máx. 1.10-1.75 0.80-1.20
Esfuerzo de tensión MPa
Esfuerzo de cedencia
MPa
Elongación %
Reducción de área
%
Energía de impacto (Charpy)
J
Dureza (HRC)
1960 1570 13 46.2 16 52
Composición % en peso Dureza (HRC)
C Mn Si Cr Mo V 49 - 54
0.35 .80 .80 5.0 1.5 1.0
57
Se repararon 3 especímenes que presentaban erosión con diferentes
características como dimensiones, geometría, profundidad, material
desprendido. Para la recuperación se utilizó un equipo para GTAW de la marca
Miller modelo Syncrowave 350 LX series, los parámetros utilizados se muestran
en la Tabla 12.
Tabla 12: Datos de los especímenes rehabilitados [cortesía empresa metal-mecánica]
Los equipos utilizados para la realización de la experimentación se ilustran en
la Tabla 13, que van desde el corte de las muestras hasta la caracterización y
toma de metalografías.
No. de
pieza
Flujo de gas (lt/min)
Amperaje
(A)
Voltaje
(V)
Velocidad de avance (mm/seg)
1 20 130 14.85 0.36
2 25 153 13.5 1.06
3 25 127 11.4 1
58
Tabla 13: Equipos usados en el desarrollo de la experimentación [Cortesía Comimsa]
Cortadora: Struers
Modelo: Discotom - 10
Montadora: Struers
Modelo: Cito Press - 20
Pulidora: DEMP2020
Lijas: 240, 320, 400, 600
Pulidora: DEM P1020
Paño: Microcloth
Microscopio Nikon Eclipse MA200
Estereoscopio Nikon SMZ 745T
Microdurómetro Wilson Hardness
Tukon 2500
Oxford Instruments PMI Master Smart
59
CAPÍTULO 5
RESULTADOS Y ANÁLISIS
Para ratificar la composición química del material base de las muestras, se
realizó un análisis químico por chispa, se le hicieron 4 pruebas, el promedio de
las cuatro se presenta en la Tabla 14.
Tabla 14: Resultado del análisis químico por chispa
Elemento % e.p. Elemento % e.p.
Ce 90.8 Cu 0.0655
C 0.437 Nb 0.0030
Si 1.12 Ti 0.0010
Mn 0.432 V 0.803
Cr 5.07 W 0.0400
Mo 1.15 Pb 0.0150
Ni 0.0752 Ca 0.0044
Al 0.0328 Nb
Co 0.0089
60
Se realizó el corte del espécimen número 1 (Fig. 31), se montó y se preparó la
muestra para una examinación metalográfica con el fin de revelar la
microestructura presente, mostrar las regiones de interés y una prueba de
microdureza de forma transversal (se ilustra mediante puntos rojos el área en
donde se realizó cada indentación), verificando de esa manera si hubo afectación
en las propiedades mecánicas del material base respecto a la ZAC y a la zona
de fusión.
Fig. 31: Macrografía del corte transversal del espécimen 1
Se tomaron metalografías a 50x y 100x del material base (Fig. 32 a y b) para
corroborar su estructura martensítica. Dicha muestra se cortó, se montó en
baquelita y posteriormente se desbastó con lijas de granulometría 240, 320, 400
y 600, posteriormente se pulió sobre un paño microcloth y se procedió a la
inspección (bajo norma ASTM E-3). Para revelar la microestructura del metal
base (MB), la zona afectada por el calor (ZAC) y la zona de fusión (ZF), se realizó
un ataque por inmersión en un vidrio de reloj durante 2 segundos con nital (ácido
nítrico HNO3 + etanol CH3-CH2-OH) en una concentración del 2%,
posteriormente se neutralizó el nital, se secó y se volvió a atacar con berahas (3
gr de metabisulfito de potasio K2S2O5 + 10 gr de disulfito de sodio Na2S2O5 + H20)
durante 5 segundos (bajo norma ASTM E-407). Resultados se observan en las
metalografías que corresponden a las Fig. 33 a y b, en donde se muestra
claramente la presencia de ferrita widmanstatten en la zona de fusión.
61
Fig. 32 a y b: Microestructura martensítica del material base a 50x y 100x
Fig. 33 a y b: Microestructura de la ZAC y la zona de fusión a 50x y 100x
De igual manera, se llevó dicha muestra al microscopio electrónico de barrido
(MEB) y se muestran imágenes obtenidas mediante electrones secundarios de
las 3 zonas de interés, se ilustran en la Fig. 34 a, b y c. En la Fig. 34a se puede
observar una estructura martensítica con carburos dispersos, en la 34b durante
el proceso de soldadura y en la 34 c en la zona de fusión encontramos la
presencia de ferrita widmanstatten.
62
Fig. 34 a, b, y c: Imágenes obtenidas mediante electrones secundarios: a) metal base, b) ZAC, c) zona de fusión
63
Para el espécimen número 2, se llevó acabo la preparación de igual manera
que la pieza anterior, puliendo y atacando con los mismos reactivos, los
resultados se presentan en las Fig. 35. En las Fig. 36 a y b se muestran los
resultados de las metalografías del material base mientras que en las Fig. 37 a y
b las metalografías de la zona afectada por el calor, en las Fig. 38 a y b las de la
zona de fusión y finalmente en la Fig. 39 a,b y c imágenes de MEB de dicho
espécimen.
Fig. 35: Macrografía del corte transversal del espécimen 2
Fig. 36 a y b: Metalografías del material base a 50x y 100x respectivamente
64
Fig. 37 a y b: Metalografías de la ZAC a 50x y 100x respectivamente
Fig. 38 a y b: Metalografías de la zona de fusión a 50x y 100x respectivamente
65
Fig. 39 a, b y c: Imágenes obtenidas mediante electrones secundarios: a) metal base, b) ZAC, c) zona de fusión
66
Para la tercera muestra soldada, se repitió el mismo proceso de preparación
metalográfica que las dos anteriores, de la misma forma se le practicó un perfil
de microdureza realizando 5 identaciones por cada zona (metal base, zona
afectada por el calor y la zona de fusión), en donde cada punto rojo de la
macrografía hace una referencia de la ubicación de cada identación (Fig. 40), los
resultados de las diferentes zonas se muestran en las Fig. 41-44.
Fig. 40: Macrografía del corte transversal del espécimen 3
Fig. 41 a y b: Metalografías del material base a 50x y 100x respectivamente
67
Fig. 42 a y b: Metalografías de la ZAC a 50x y 100x respectivamente
Fig. 43 a y b: Metalografías de la zona de fusión a 50x y 100x respectivamente
68
Fig. 44: Imágenes obtenidas mediante electrones secundarios, a) metal base, b) ZAC, c) zona de fusión
69
Según la ecuación, el calor de entrada (HI por sus siglas en inglés) se calcula
mediante la ecuación 1 [33]:
Ecuación 1: Calor de entrada
Dónde:
CE= Calor de entrada
kJ= Kilojoules
Tomando en cuenta la ecuación 1 y los valores de los parámetros con los que
se soldaron las piezas (Tabla 12), el cálculo del calor aportado por el proceso de
soldadura a los especímenes rehabilitados son los siguientes:
Espécimen 1:
Espécimen 2:
Espécimen 3:
Cuando el metal depositado por un proceso de soldadura solidifica a
temperatura ambiente existen dos mecanismos de transformación, denominados
de reconstrucción y desplazamiento; el mecanismo de reconstrucción es un
proceso difusional de baja velocidad llevado a cabo a temperaturas relativamente
altas, se rige por la transformación de la ferrita y la perlita. Posteriormente se
CE= (130𝐴)(14.85𝑣)(60)
(21.6 mm/min)(1000)= 5.36 kJ/mm
CE= (153𝐴)(13.5𝑣)(60)
(63.6 mm/min)(1000)= 1.94 kJ/mm
CE= (127𝐴)(11.4𝑣)(60)
(60 mm/min)(1000)= 1.44 kJ/mm
CE= (𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑗𝑒)(𝑉𝑜𝑙𝑡𝑎𝑗𝑒)(60)
(𝑉𝑒𝑙𝑜𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑣𝑎𝑛𝑐𝑒)(1000)= kJ/mm
70
encuentra la transformación por desplazamiento en donde la transformación
tiende a ser rápida y a baja temperatura y las fases características de este
fenómeno son la ferrita Widmanstatten, ferrita acicular, bainita y la cementita
[34,35].
Tomando en cuenta la cita anterior y los valores de las entradas de calor de
cada espécimen, podemos decir que en el primer espécimen recuperado, debido
a la entrada de calor, el enfriamiento fue relativamente lento y propició a la
formación de ferrita Widmanstatten (Fig. 34 c) en la zona de fusión y ocurrió un
refinamiento de grano en la zona afectada por el calor (Fig. 34 b). Lo mismo
sucedió con el espécimen 2, la entrada de calor propició a un enfriamiento lento
y la formación de ferrita Widmanstatten (Fig. 39 c) y un refinamiento de grano
(Fig. 39b); por otra parte, la tercera muestra debido a los parámetros con los que
se soldó, el aporte de calor fue menor, de tal manera que el enfriamiento fue
rápido en comparación a los dos anteriores especímenes, lo que dio lugar a la
formación de martensita en la zona de fusión (Fig. 44 c) y al consecuente
refinamiento de grano en la zona afectada por el calor (Fig. 44 b).
De manera gráfica (Fig. 45) se puede observar el comportamiento en cuanto
a microdurezas en las zonas de interés de los 3 especímenes, de los cuales los
dos primeros se nota un decremento de la dureza en la zona de fusión con
respecto a la ZAC y en el tercer espécimen no se nota discrepancia entre las
mismas dos áreas, denotando la dureza alcanzada en la zona de fusión debido
al rápido enfriamiento por el bajo calor aportado por el proceso de soldadura.
71
Fig. 45: Gráfica de los perfiles de microdureza de los 3 especímenes reparados
Se examinaron las 3 probetas soldadas mediante ensayo no destructivo
radiográfico, los resultados se muestran en las Figuras 46-48. La figura 48 a y b
corresponden a la misma muestra, se le practicó un corte transversal para
poderla observar de manera adecuada debido a su geometría. En las primeras
dos muestras que corresponden a parámetros de soldadura usados comúnmente
en la empresa metal-mecánica, se puede observar porosidad dispersa,
inclusiones de tungsteno, porosidad alargada, las cuales se cuantificaron, se
midieron y se aplicó el criterio de aceptación de la especificación AWS B 2.1.
72
Fig. 46: Resultados del ensayo radiográfico a insertos recuperados [fuente propia]
Fig. 47 a, b, c y d: Geometría y ubicación de las discontinuidades presentes [fuente propia]
Fig. 48 a, b, c y d: Ubicación de las discontinuidades y dimensionamiento de piezas recuperadas [fuente propia]
La radiografía fue tomada con una fuente de rayos x de marca conocida, 160
Kv, 3.5 mA y un tiempo de exposición de 2.5 minutos. Las discontinuidades
grabadas en la radiografía mostrada en la Fig. 46 se compararon de acuerdo a
73
la Tabla 8 de los criterios de aceptación de la especificación AWB B2.1; según el
criterio 1 del Anexo 5, los tres especímenes (1 a-b, c y d) carece de grietas,
penetración y fusión incompleta, por lo tanto las 3 muestras aprueban el mismo.
Mediante el segundo criterio, se descarta que alguna de las 3 muestras
presente discontinuidades lineales, debido a que son elípticas, según sus
dimensiones, por lo tanto el segundo criterio de igual manera las piezas están
dentro del mismo.
Según el criterio 3 de la especificación, se puede establecer una aceptación o
rechazo según la Fig. 20 y la Tabla 8, en este caso se evaluó por la segunda
debido a que los especímenes carecen de las dimensiones de referencia que se
especifican. La máxima dimensión de indicaciones individuales redondeadas es
de 1/8”; en este caso, la más grande revelada en la placa radiográfica no excede
el 18”, mientras que el resultado del tercer espécimen reveló estar libre de
discontinuidades, por lo tanto las 3 quedan dentro de los criterios de aceptación
de la especificación.
74
CAPÍTULO 6
CONCLUSIONES
La consulta y análisis bibliográfico permitió llegar a las siguientes conclusiones:
Los aceros grado herramienta H13 a pesar de ser aceros para trabajo en
caliente, sufren erosión, fracturas, cuarteaduras, desprendimiento de
material debido a los constantes ciclos de trabajo a los que son sometidos,
por ende es importante saber de qué manera se repara dicho herramental.
De acuerdo a las dimensiones, geometría y discontinuidades presentes en
los especímenes examinados se llega a la conclusión de que el examen
radiográfico permite determinar el nivel de calidad interno de las
soldaduras y a su vez la disposición ya sea de aceptación o rechazo de
acuerdo a los requerimientos aplicables de la especificación AWS B2.1.
El cuidado de la temperatura entre cada paso, el precalentamiento de la
pieza y el post tratamiento térmico (si se requiere), refleja soldaduras de
buena calidad, homogéneas y libres de defectos que pudiesen impactar
en las propiedades mecánicas de los especímenes. Uno de los parámetros
en los que no se puede tener control en absoluto (ya que el proceso de
soldadura es manual) es la habilidad del soldador.
El recurso humano es un factor determinante para una interpretación de
imágenes radiográficas para un diagnóstico certero.
75
BIBLIOGRAFÍA
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77
LISTADO DE FIGURAS Fig. 1: Proceso de soldadura GTAW [2] ............................................................ 9
Fig. 2: Polaridades del proceso GTAW [9] ....................................................... 12
Fig. 3: Corriente pulsada [9] .............................................................................. 13
Fig. 4: Soldadura producida por arco pulsado [8] ............................................. 13
Fig. 5: Socavado [13 ] ...................................................................................... 18
Fig. 6: Superposición [13 ] ............................................................................... 19
Fig. 7: Inclusión de escoria [13] ....................................................................... 19
Fig. 8: Inclusiones de tungsteno ...................................................................... 19
Fig. 9: Rechupe ................................................................................................ 20
Fig. 10: Inclusiones de óxido ........................................................................... 20
Fig. 11: Fusión incompleta [13 ] ....................................................................... 20
Fig. 12: Falta de penetración [13] .................................................................... 21
Fig. 13: Cráter [13] ........................................................................................... 21
Fig. 14: Salpicaduras [13] ................................................................................ 22
Fig. 15: Golpe de arco [13] .............................................................................. 22
Fig. 16 a, b, c y d: Diferentes tipos de porosidades [13] ................................... 24
Fig. 17: Porosidad agujero de gusano, corte longitudinal 20x [13].................... 24
Fig. 18: Esquema de pieza radiada [25] ........................................................... 35
Fig. 19: Penetrámetros, indicadores de calidad de imagen en forma de plaqueta
y alambre [2] ..................................................................................................... 36
Fig. 20 a, b, c y d: Descripción gráfica discontinuidades redondeadas permisibles
en RT [28] ......................................................................................................... 42
Fig. 21: Microestructura martensítica presente en acero AISI H13 [29] ............ 44
Fig. 22: Grieta en el espécimen producida por esfuerzos de expansión-
compresión [29] ................................................................................................ 45
Fig. 23: Muestras soldadas [30] ....................................................................... 47
Fig. 24: Resultado del ensayo de las probetas [30] ......................................... 47
78
Fig. 25 a y b: a) mínima resistencia a la compresión, b) máxima resistencia a la
compresión [30] ................................................................................................ 48
Fig. 26 a, b y c: Sección transversal de las piezas nitruradas [31].................... 50
Fig. 27: Variación de la dureza y trabajo de impacto [32] ................................. 51
Fig. 28: Inserto erosionado de acero AISI H13 [cortesía empresa metal-
mecánica] ......................................................................................................... 53
Fig. 29: Inserto rehabilitado [cortesía empresa metal-mecánica] ..................... 54
Fig. 30: Inserto con porosidad [cortesía empresa metal-metálica] ................... 55
Fig. 31: Macrografía del corte transversal del espécimen 1 ............................. 60
Fig. 32 a y b: Microestructura martensítica del material base a 50x y 100x ..... 61
Fig. 33 a y b: Microestructura de la ZAC y la zona de fusión a 50x y 100x ...... 61
Fig. 34 a, b, y c: Imágenes obtenidas mediante electrones secundarios ......... 62
Fig. 35: Macrografía del corte transversal del espécimen 2 ............................. 63
Fig. 36 a y b: Metalografías del material base a 50x y 100x respectivamente . 63
Fig. 37 a y b: Metalografías de la ZAC a 50x y 100x respectivamente ............ 64
Fig. 38 a y b: Metalografías de la zona de fusión a 50x y 100x respectivamente
.......................................................................................................................... 64
Fig. 39 a, b y c: Imágenes obtenidas mediante electrones secundarios .......... 65
Fig. 40: Macrografía del corte transversal del espécimen 3 ............................. 66
Fig. 41 a y b: Metalografías del material base a 50x y 100x respectivamente . 66
Fig. 42 a y b: Metalografías de la ZAC a 50x y 100x respectivamente ............ 67
Fig. 43 a y b: Metalografías de la zona de fusión a 50x y 100x respectivamente
.......................................................................................................................... 67
Fig. 44: Imágenes obtenidas mediante electrones secundarios ...................... 68
Fig. 45: Gráfica de los perfiles de microdureza de los 3 especímenes reparados
.......................................................................................................................... 71
Fig. 46: Resultados del ensayo radiográfico a insertos recuperados ............... 72
Fig. 47: Geometría y ubicación de las discontinuidades presentes ................. 72
Fig. 48 a, b, c y d: Ubicación de las discontinuidades y dimensionamiento de
piezas rehabilitadas .......................................................................................... 72
79
LISTADO DE TABLAS
Tabla 1: Discontinuidades comúnmente encontradas en el proceso GTAW [2] . 5
Tabla 2: Composición química de electrodos de tungsteno [9] ......................... 14
Tabla 3: Composición química de los aceros grado herramienta [16] .............. 26
Tabla 4: Composición química del acero AISI H13 [17] .................................... 30
Tabla 5:: Propiedades mecánicas del acero AISI H13 [17] ............................... 30
Tabla 6: Resistencia al reblandecimiento durante exposición a temperatura
elevada [17] ...................................................................................................... 30
Tabla 7: Discontinuidades lineales permisibles en RT [28] ............................... 42
Tabla 8: Discontinuidades redondeadas permisibles en RT [28] ...................... 43
Tabla 9: Composición química del acero AISI H13 ........................................... 56
Tabla 10: Propiedades mecánicas del acero AISI H13 ..................................... 56
Tabla 11: Composición química del material de aporte tipo Eureka 31 [cortesía
empresa metal-mecánica] ................................................................................. 56
Tabla 12: Datos de los especímenes rehabilitados [cortesía empresa metal-
mecánica] ......................................................................................................... 57
Tabla 13: Equipos usados en el desarrollo de la experimentación [Cortesía
Comimsa] .......................................................................................................... 58
Tabla 14: Resultado del análisis químico por chispa ........................................ 59
![CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES ... · velocidades mayores [6], comparado con los procesos convencionales. En la literatura se presenta información científica](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/5e888f4b28fa4d197968ff69/corporacin-mexicana-de-investigacin-en-materiales-velocidades-mayores-6.jpg)
